颈椎曲度与其生物力学特点的有限元分析.docxVIP

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颈椎曲度与其生物力学特点的有限元分析

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【摘要】

研究背景正常的生理曲度对于维持颈椎的结构稳定性是很重要的，由于工作压力的增大，许多年轻人出现颈部僵硬、生理曲度消失的情况，这很有可能导致或加速颈椎疾病的发生。

研究目的及方法本研究采用三维有限元分析法对不同曲度的颈椎进行模拟，将其在不同运动状态及不同受力下的应力分布及其变化进行量化，以期对临床预防及治疗起到一定的指导作用。

结果颈椎曲度减小或反张后，其在前屈、后伸和侧弯时的活动度减小，而在左右轴向旋转时的活动度增加。反张后，颈椎在重力载荷作用下的位移减小，但应力增加，主要集中在C3-C4节段。

结论颈椎曲度变直或反张会导致颈椎生物力学的改变，使颈椎稳定性减弱，并增加颈椎间盘突出和诱发颈椎病的风险。

【关键词】颈椎曲度有限元分析生物力学

1前言

众所周知，脊柱是人体最重要的结构之一，它具有支持躯干、保护内脏、保护脊髓神经和进行运动的功能。在侧方观察时，组成脊柱的椎体，包括颈椎、胸椎、腰椎和骶骨，并不是整齐地排列在一条直线上，在人体生长发育过程中，脊柱会逐渐形成四个生理弯曲，包括颈曲、胸曲、腰曲和骶曲，其中，颈椎和腰椎向前方凸出，胸椎和骶骨向后方凸出1。这些生理弯曲具有维持脊柱结构稳定性的作用，其中，颈曲的作用尤为重要。正常的颈椎生理弯曲可以使得颈椎在柔韧性与承重能力之间取得平衡。一般认为，当曲度增加时，其柔韧性能会增大，而其承受重力的能力会减弱；当曲度减少时，则与上述情况相反；更有甚者，当颈椎曲度减少至一定程度而造成颈椎反张，其柔韧性与承重能力均减弱。不正常的颈椎生理曲度也可能造成椎体、椎间盘与小关节处异常的应力分布，这也许与椎体、小关节处易发生骨质增生、椎间盘退化、椎管狭窄等有着密切的联系。

目前，在颈椎生理曲度改变的方面，尚缺乏具体的、详细的研究。针对人体的实验，由于受到医学伦理学及实验条件的限制，一般很难直接进行。有限元分析法是一种良好的、应用广泛的用来评估生物力学的方法，尤其在脊柱、关节等方面，已经有许多相关的研究。

本实验采用有限元分析的实验方法对颈椎曲度改变后其生物力学的变化特点进行分析，以期能够对临床起到一定的指导作用。

2材料和方法

2.1获取实验数据

招募并依据其颈椎生理曲度的影像学改变情况筛选出2名青年男性志愿者（A，27岁，身高178cm，体重75kg，颈椎生理曲度正常；B，26岁，身高174cm，体重70kg，颈椎正常生理曲度缺失并形成反张），既往体健，无颈椎病相关临床症状，排除外伤史及手术史。实验获得志愿者的知情同意并经大连大学附属中山医院伦理委员会批准通过。采用本院64层螺旋CT机分别对2名志愿者进行全颈椎扫描，扫描时受试者采取仰卧位，扫描横断面与身体保持垂直，所得CT数据以DICOM格式分别保存于2张DVD光盘中。

2.2建立颈椎C2-C7有限元模型

2.2.1三维模型建立

将CT数据导入Materialise公司发明的医学影像控制系统、模块化结构软件Mimics17.0，使用剖面线（DrawProfileLine）功能设置合适的灰度值（本实验采用骨组织的常用灰度值255），通过阈值分割和区域增长功能生成每个椎骨的蒙板（Mask），再对每个蒙版使用3DCalculate功能，即得到相应椎骨的三维立体模型。将模型以STL格式保存并导入逆向工程软件GeomagicStudio2013，使用网格医生修复模型，去除模型上的钉状物、小通道和小孔等特征，使用松弛功能平滑表面，经多边形阶段、精确曲面阶段将模型曲面拟合生成NURBS曲面，以IGES格式保存并导出。

2.2.2网格划分

本研究采用美国Altair公司生产的CAE软件Hypermesh13.0。把IGES文件导入Hypermesh软件后，进行几何编辑，将每个椎骨切割为前方的椎体和后方骨组织两部分，对两个部分同时进行2D网格划分以保证网格的连续性，同时，使用qualityindex面板控制网格质量。椎体部分采用CFD流体网格技术画分为外面一层厚度为1mm的皮质骨和内部的松质骨，而后方骨组织则直接用tetramesh功能划分实体网格。椎间盘部分被模拟为上下终板、髓核和纤维环四部分，其中髓核位于中心部位，外周被纤维环包绕，其体积约占椎间盘的30-40%2。韧带部分采用一维线性单元模拟，共建立6种韧带：前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带和关节囊韧带。建立完整的模型之后，处理交叉及穿透问题，得到C2-C7完整模型，如图1所示。根据前人已发表的相关文献资料3为各组织赋予材料及属性，具体材料及属性参数设置见表1。

2.3有限元分析

在第七颈椎椎体下表面建立约束，使其在空间自由度